厂区热力管网典型π型弯支座反力对比研究.pdf
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1、第45 卷第1 期2024年有色冶金设计与研究2月厂区热力管网典型元型弯支座反力对比研究贾哲(中国瑞林工程技术股份有限公司,江西南昌330 0 38)【摘要】厂区热力管网的热膨胀常采用型弯进行吸收,不同型弯的型式其支座反力的表现不尽相同,文章将其归纳为6 种典型型式,并分别建立了相应型式的管系有限元模型,通过对各有限元模型进行计算分析,对比研究厂区热力管网各种空间T型弯型式的支座反力表现(轴向、横向、竖向反力值及支座脱空情况)。【关键词 厂区热力管网;T型弯;有限元;管系柔性分析;支座反力中图分类号:TK2Comparative Study on the Reaction of Typical
2、-Shaped Bend Support in the PlantAbstract The thermal expansion of the plant heat supply pipe network is often absorbed by -shaped bends.Different typesof -shaped bend exhibit different support reactions,which is classified into six typical types.The corresponding finite elementmodels of different t
3、ypes of the pipe systems are established.Through calculation and analysis of the finite element models,the supportreaction performances of different types of -shaped bend in various spaces are conducted in a comparative study,including axial,horizontal and vertical reaction values of the plant heat
4、supply pipe network,as well as support bearing separation.Keywords plant heat supply pipe network;T-shaped bend;finite element;flexibility analysis of pipe system;support reaction文献标志码:BHeat SupplyPipe NetworkJIA Zhe(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330038,China)文章编号:1 0 0 4-4345(2
5、0 2 4)0 1-0 0 44-0 5随着工业厂区大型化、规模化发展,热力管道已逐渐成为冶金、化工等领域厂区综合管网的重要组成部分。热力管网具有高温、高压的特性,在综合内压、热荷载及外部荷载等因素影响下,该管系应力状况非常复杂。其中,热膨胀对管系受力情况及应力状态的影响非常突出巴。目前,针对热力管网的热膨胀问题常采用自然补偿的方式,即利用管道布置的自然弯曲和扭转产生的变形来吸收管道的热膨胀,以消除管道的热应力。这种补偿方式有利于节约工程建设成本。自然补偿的型式常见有L型、Z型和型等,其中型弯因其补偿能力强、成本低、空间利用率高的优点被大量运用于工业生产。型弯空间形式多样,笔者将其归纳为6 类
6、,即平出型、平出下弯型、下弯平出型、上弯平出型、平出上弯型、下弯型。在设计过程中,应充分关注T型弯对管系的支收稿日期:2 0 2 3-0 3-1 4作者简介:贾哲(1 9 9 0 一),男,主要从事管道设计及管道应力分析工作。座反力、位移、应力状态及空间布置合理性等方面的影响。其中,管系支座反力的表现十分重要,支座反力过大会破坏管架结构;支座脱空会造成由于管系一次应力过大而发生垮塌等危险状况。基于此,本文对厂区热力管网常用的6 种型弯的支座反力表现进行对比研究,以期指导后续工程设计中对型弯型式的选择。1典型T型弯结构型式1)平出型弯。平出型弯是最常见的型弯,其整体为平面铺设,铺设方式如图1(a
7、)所示。该型式主要通过型弯的4个弯头吸收管道的热膨胀。2)平出下弯型弯。平出下弯型弯整体呈空间铺设,铺设方式如图1(b)所示,主要通过该弯型的6 个弯头吸收管道的热膨胀,水平垂直于主管道第1 期敷设方向(以下简称“横向”)及竖向的管道均为该型弯的臂,较长者为长臂,较短者为短臂。3)下弯平出型弯。下弯平出型弯整体呈空间铺设,铺设方式如图1(c)所示,主要通过该弯型的6 个弯头吸收管道的热膨胀。4)上弯平出型弯。上弯平出型弯整体呈空间铺设,铺设方式如图1(d)所示,主要通过型弯主管道铺设方向厂区热力管网典型T型弯支座反力对比研究主管道铺设方向45处6 个弯头吸收管道的热膨胀。5)平出上弯型弯。平出
8、上弯型弯整体呈空间铺设,铺设方式如图1(e)所示,主要通过型弯处六个弯头吸收管道的热膨胀。6)下弯型弯。下弯型弯铺设方式如图1(f)所示,主要通过型弯处4个弯头吸收管道的热膨胀。主管道铺设方向短臂臂长短臂臂长元型弯臂长长臂臂长(a)平出型主管道铺设方向(b)平出下弯型(c)下弯平出型管道铺设方向主管道铺设方向长臂臂长短臂臂长(d)上弯平出型在实际应用中,平出下弯、下弯平出和上弯平出型式的竖向臂为短臂、横向臂为长臂的情况较多;平出上弯的横向臂为短臂、竖向臂为长臂的情况居多。2热力管网常用支座形式的反力表现厂区热力管网常用的支座形式为固定支座、滑动支座、导向支座。1)固定支座,即把管道完全约束在管
9、架上,跟管架不会有任何相对位移,因此通常只在固定支座处发生较大的支座反力。2)滑动支座,主要承载的是管道的竖直荷载,而管道的竖直荷载主要产生于管道自重及竖向的热变形。另外,滑动支座脱空受为情况也需加以关注,因为滑动支座脱空可能造成一次应力超出许用应力值,进而造成管系跨塌事故。3)导向支座,常用于解决因管系柔性太强而引发的横向位移过大问题。通过限制管道横向位移,可以避免管道与相邻管道或结构件发生碰撞,管道承受了一定的横向反力,因此导向支座的位置设置是否合理也会影响到元型弯处弯头应力是否超标。3典型型弯支座反力表现分析3.1分析思路厂区综合管网的布管场景可利用的空间有限,(e).平出上弯型图1 6
10、 种典型T型弯结构型式管道数量多,排布密集;另外,管道输送距离远,外径、壁厚、压力、温度各类规格参数高。根据热力管道热伸长计算公式可知,随管道温度的升高,其单位长度的伸长量则越大,见式(1)。L=L(t2-ti)式中:L为管道伸长量,cm;L为管道长度,m;为管道的线膨胀系数,cm/(m);t 2 为管道内介质温度,即管道工作温度,;t为管道设计安装温度,本文取2 1 。由胡克定律可知,随单位长度热变形量的增大,管道所产生的支座反力也随之增大,尤其是在高温高压的工况下,对管道自然补偿形式的补偿能力提出更高的要求。空间立体管段的自然补偿能力可用式(2)判别 5 。DAL20.8(L-U)?式中:
11、D为管道公称直径,mm;L 为管道X、Y Z3个方向热伸长量的向量和,cm;L为管道展开总长度,m;U为管道两端固定点之间的直线距离,m。从式(2)可以看出空间型弯吸收管道热膨胀能力主要跟弯臂长度(L-U)有关。型弯在有限的空间内具备出众的补偿能力,(f)下弯型(1)(2)46因此很适用于厂区综合管网的热力管道布置。本文拟在总臂长(长臂+短臂)、主管总长、支座形式及间距一定的情况下,通过变换T型弯型式,分别计算不同型管冷态、操作态的支座反力,并进行对比研究。3.2建立有限元模型CAESAR-管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件。它既可以进行静态分析计算,也可进行
12、动态分析,向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范,使用方便快捷,应用可靠回。本文即拟利用CEASAR-I软件对6 种典型元型弯建立有限元计算模型。3.2.1建立几何模型厂区综合管网管架宽度一般为2 6 m,层高1.52m,需同时考虑型弯的实际可用尺寸,因此本文各种空间型弯的总臂长均取5 m,具体如下:1)平出型,臂长5 m;2上弯平出型,长臂3.8 m,短臂1.2 m;下弯平出型,长臂3.5 m,短臂1.5 m;平出上弯型,长臂3m,短臂2 m;平出下弯型,长臂3m,短臂2 m。另外,所有模型主管总长设定为30 m(两固定端之间距离)。由此,型弯型式为本研究唯一研究变量。3.2.2模型管道定
13、义及工况设置模型环境温度设为2 1,管道材料按选用ASME31.3中A106B,此外介质类型、管道规格和工况设置(包括工作压力、工作温度)如表1 所示。表1 模型介质特性及管道规格介质温度/饱和蒸汽2653.2.3有限元单元类型选取及约束定义CEASAR-软件对管系分析均采用的是3D梁单元,这种单元适用于弯曲主导的变形,能够高效模拟长度与直径之比很大的管系的变形和受力。本文所有模型均做静态分析,且只引入固定支座和滑动支座的模拟,摩擦系数设置为0.3。主管两端设置为全约束,以模拟固定支座受力状态;两固定端之间的直管段每4m设置1 个竖直向上的约束,即只约束-Y方向的位移,以模拟滑动支座受力状态。
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